CN110048457B - 一种具备低电压穿越功能的双馈风机虚拟同步控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备低电压穿越功能的双馈风机虚拟同步控制方法。该方法的创新之处在于不改变风机变流器原有的功率、电流双闭环矢量控制结构，仅通过构造虚拟同步控制回路即可实现对并网点频率和电压的惯量支撑。其过程为，当电网频率出现波动或电压幅值发生小幅跌落时，虚拟同步控制回路按设定的下垂系数计算得到功率补偿指令，并通过阻尼控制器设定惯性响应时间之后补偿到变流器原有的功率指令上。同时，当并网点电压发生深度跌落时，通过自动调整阻尼控制器的阻尼系数来提高故障电网工况下无功补偿的响应速率，满足并网规范对风机低电压穿越能力的要求。
Description
技术领域
本发明属于双馈感应发电机控制技术领域，具体设计一种具备低电压穿越功能的双馈风机虚拟同步控制方法。
背景技术
随着可再生能源技术的迅猛发展，风力发电已然成为目前最具竞争力和发展前景的新能源生产方式。无论是从能源安全保障、优化能源结构的角度还是积极应对气候变化的方面来考虑，风力发电都具有一定的研究价值与意义。根据全球风能理事会2018年发布的《全球风电发展报告》中的数据显示，我国风电新增装机容量为19.7GW，约占全球风电新增装机容量的37％。国家能源研究所预测，2030年我国风电机组的装机容量会成为火电、水电之后的第三大电能来源。以风力发电为代表的新能源的高效开发和利用有利于推进能源革命，优化能源供给结构，建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系。
风力发电设备的发展和革新是行业保持高水平发展的基础。目前电网友好度较高的大型风机主要为永磁直驱式风力发电机和双馈感应发电机。双馈感应发电机(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)因其具备电机体积小，造价成本低，变流器容量小，运行范围大等特点受到风电市场的广泛关注，并作为主流风力发电机型。
分布式电源因其能够优化布局以及灵活并网的特点被广泛利用，参照分布式光伏、分布式天然气等装机规模发展规律，预计到2020年，中国分布式风电装机将达20GW，每年新增分散式风电装机规模增速为100％以上，为国内风电行业进一步发展提供有力支持。但随着分布式电源的渗透率逐年增加，其弊端也逐渐显现。与传统同步发电机相比，通过电力电子器件并网的方式使得电网中的惯量和阻尼的含量小，电压和频率的稳定性受到极大程度的威胁。
虚拟同步发电机技术(Virtual Synchronous Generator，VSG)能够用于分布式电源的离网模式以及并网模式。两种运行模式下，均能够根据电网或负载的变化需求自主运行和管理，从而使分布式电源拥有了抗外部扰动的能力。并网时，采用虚拟同步发电机技术的单元，可以模仿传统同步发电机的特性，对电网能够起到支撑作用，并提供必要的惯性。当输入输出有功功率不平衡时，根据同步发电机的转子运动方程，通过转子释放或者吸收能量，完成一次调频。同时，通过电网额定频率和实际频率的差值对故障期间有功功率的指令值进行修改，完成二次调频。为满足无功功率供求平衡，通过电网额定电压幅值和实际电压幅值做差模拟励磁调节器，当并网电压出现扰动时补偿扰动值，恢复机端电压。
为了使DFIG并网过程中具备与传统同步发电机相同的阻尼特性和惯性支撑特性以及对电压和频率的自适应能力。如何将VSG技术与DFIG控制策略结合起来成为关键点。为此，国内外研究团队做了大量的科研工作，提出了一些可行的方案。
现有的基于VSG技术的DFIG控制策略可以归纳为两类：
(1)VSG直接控制方法。这一方法将功率瞬时值与指令值通过VSG缓解得到电压和相角，将其矢量合成后得到转子励磁电压指令值，生成PWM信号控制转子侧变流器，从而实现DFIG的最大功率追踪。这种方法在并网点处发生故障时，有功功率和无功功率纹波含量较大，无法做到解耦控制。
(2)增加VSG外环方法。这一方法将功率瞬时值与指令值通过VSG环路得到电压和相角。将电压作为电压外环指令值控制定子电流，相角在坐标变换中作为电网相角，再通过传统矢量实现DFIG的最大功率追踪。这种方法通过转子运动方程算出相角，由于转动惯量和阻尼的存在，形同对电压频率波动响应较慢，延长了暂态过程，不利于系统稳定。
通过以上分析可见，无论VSG直接控制还是增加VSG外环控制，均改变了DFIG传统矢量控制的拓扑结构，无法做到与已经投入运行的DFIG兼容以及改进。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种具备低电压穿越功能的双馈风机虚拟同步控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具备低电压穿越功能的双馈风机虚拟同步控制方法，该方法主要由传统功率电流双闭环矢量控制回路和虚拟同步控制回路两部分组成。
进一步地，所述虚拟同步控制回路包括如下步骤：
(2.1)采集双馈风机并网点电压的角频率ωpcc、并网点电压幅值Upcc；
(2.2)将并网点额定角频率ω0与步骤(2.1)采集的并网点电压的角频率ωpcc做差，得到角频率补偿值Δω；将并网点额定电压U0与步骤(2.1)采集的并网点电压幅值Upcc做差，得到电压补偿值ΔU；
(2.3)将步骤(2.2)得到的角频率补偿值Δω与补偿系数kω相乘，得到有功补偿缺额指令Padd_ref；将步骤(2.2)得到的电压补偿值ΔU与补偿系数kU相乘，得到无功补偿缺额指令Qadd_ref；
(2.4)将步骤(2.3)得到的有功补偿缺额指令Padd_ref和无功补偿缺额指令Qadd_ref送入虚拟同步回路的阻尼控制器，得到有功补偿指令PVSG_ref和无功补偿指令QVSG_ref；
(2.5)将步骤(2.4)得到的有功补偿指令PVSG_ref和无功补偿指令QVSG_ref作为附加指令，分别添加到传统功率电流双闭环矢量控制回路的定子有功指令值Pref和无功指令值Qref上，得到新的有功功率的指令值、无功功率的指令值。
进一步地，所述步骤(2.4)中的阻尼控制器的传递函数为：
其中，J为双馈风机系统的转动惯量，D为阻尼控制器的阻尼系数。
进一步地，所述阻尼控制器的阻尼系数D根据电网电压波动情况自适应调整，具体为：情况I，当电网电压幅值波动幅度在10％以内时，阻尼控制器的阻尼系数D值维持不变；情况II，当电网电压跌落至90％标称值以下时，阻尼控制器的阻尼系数D值取为情况I的1/10～1/20。
本发明的有益效果是：本发明不改变风机变流器原有的功率、电流双闭环矢量控制结构，仅通过构造虚拟同步控制回路即可实现对并网点频率和电压的惯性支撑。同时，当并网点电压发生深度跌落时，通过自动调整阻尼控制器的阻尼系数来提高故障电网工况下无功补偿的响应速率，满足并网规范对风机低电压穿越能力的要求。
附图说明
图1为本发明一种具备低电压穿越功能的双馈风机虚拟同步控制方法结构图；
图2为传统功率、电流双闭环矢量控制结构图；
图3为阻尼控制器的控制结构图；
图4为并网点频率波动至110％标称值时，采用本发明控制方法的DFIG运行的仿真结果示意图；
图5为并网点电压跌落至70％标称值时，采用本发明控制方法的DFIG运行的仿真结果示意图。
具体实施方式
为了更加具体地描述本发明，下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步说明。
本实施方式以一台容量为3.0MW，额定电压为690V的DFIG为例，模型搭建采用电动机惯例。实施方式先将风机和测量模块中的参数标幺化处理。DFIG的参数如下：定子电阻Rs＝0.013pu，转子电阻Rr＝0.024pu，定子电感Ls＝0.239pu，转子电感Lr＝0.213pu，定转子互感Lm＝3.99pu，极对数p＝3，具体包括如下步骤：
1、如图1所示，一种具备低电压穿越功能的双馈风机虚拟同步控制方法主要有两部分组成，即：虚拟同步控制回路和传统功率电流双闭环矢量控制回路；
2、步骤1所述的虚拟同步控制环路，包括如下步骤：
2.1采集并网点电压的角频率ωpcc，并网点电压幅值Upcc；
2.2本实施方案中，并网点额定电压U0＝1；并网点额定角频率ω0＝1；
2.3将并网点额定角频率ω0与步骤2.1得到的并网点电压的角频率ωpcc做差，得到角频率补偿值的Δω；将并网点额定电压U0与步骤2.1得到的并网点电压幅值Upcc做差，得到电压补偿值ΔU；
2.4将步骤2.3得到的角频率补偿值Δω与补偿系数kω相乘，得到有功补偿缺额指令Padd_ref；将步骤2.3得到的电压补偿值ΔU与补偿系数kU相乘，得到无功补偿缺额指令Qadd_ref；
2.5将步骤2.4得到的有功补偿缺额指令Padd_ref和无功补偿缺额指令Qadd_ref送入虚拟同步回路的阻尼控制器，得到有功补偿指令PVSG_ref和无功补偿指令QVSG_ref；
2.6步骤2.5所述的阻尼控制器的传递函数见公式(1)：
其中，J为双馈风机系统的转动惯量，D为阻尼控制器的阻尼系数；
2.7步骤2.5所述的阻尼控制器如图3所示，其阻尼系数D可根据电网电压波动情况自适应调整，具体为：情况I，当电网电压幅值波动幅度在10％以内时，阻尼系数D值维持不变；情况II，当电网电压跌落至90％标称值以下时，阻尼系数D值取为情况I的1/10～1/20；
3、步骤1所述的传统功率电流双闭环矢量控制回路如图2所示，主要包括如下步骤：
3.1采集DFIG，定子三相电流Isabc、定子三相电压Usabc、转子三相电流Irabc，转子空间电角度θr，转子角频率ωr；
3.2本实施方案中，设置有功功率指令值Pref＝1，无功功率指令值Qref＝0；
3.3通过锁相环获得并网点电压的空间电角度θs，由并网点电压空间电角度θs与转子空间电角度θr相减得到转差电角度θslip，通过步骤2.1采集到的并网点电压的角频率ωpcc与步骤3.1采集到的转子角频率ωr相减得到角频率差ωslip；
3.4将步骤3.1采集到的定子三相电流Isabc、定子三相电压Usabc、转子三相电流Irabc进行abc/dq变换，得到定子电流dq轴分量Isdq、定子电压dq轴分量Usdq、转子电流dq轴实际值Irdq，变换公式如下所示：
其中，Isd为定子电流d轴分量，Isq为定子电流q轴分量，Isa为定子a相电流，Isb为定子b相电流，Isc为定子c相电流；Usd为定子电压d轴分量，Usq为定子电压q轴分量，Usa为定子a相电压，Usb为定子b相电压，Usc为定子c相电压；Ird为转子电流d轴分量，Irq为转子电流q轴分量，Ira为转子a相电流，Irb为转子b相电流，Irc为转子c相电流。
3.5根据步骤3.4得到的定子电流dq轴分量Isdq和定子电压dq轴分量Usdq，求出定子瞬时有功功率Ps和定子瞬时无功功率Qs，计算公式如下所示：
3.6将步骤2.5得到的有功补偿指令PVSG_ref和无功补偿指令QVSG_ref作为附加指令，分别取负后添加到传统功率电流双闭环矢量控制回路的定子有功指令值Pref和无功指令值Qref上，再分别与步骤3.5得到的定子瞬时有功功率Ps和定子瞬时无功功率Qs做差得到有功功率误差ΔP与无功功率误差ΔQ；
3.7将步骤3.6得到的有功功率误差ΔP与无功功率误差ΔQ通过比例-积分调节器，分别得到转子电流d轴指令值Irdref和转子电流q轴指令值Irqref，再分别与步骤3.4得到的转子电流d轴分量Ird和转子电流q轴分量Irq做差得到转子电流d轴分量误差ΔIrd和转子电流q轴分量误差ΔIrq；
3.8将步骤3.7得到的转子电流d轴分量误差ΔIrd和转子电流q轴分量误差ΔIrq通过比例-积分(PI)调节器，再分别与转子电压dq轴解耦项相加得到转子电压dq轴指令值Urdq_ref，转子电压dq轴解耦项计算公式如下所示：
ΔUrq＝RrIrq+σωslipLrIrd (7)
其中，
ΔUrd为转子电压d轴分量误差，ΔUrq为转子电压q轴分量误差；
3.9将步骤3.8得到的转子电压dq轴指令值Urdq_ref，进行坐标变换得到转子电压αβ轴指令值Urαβ_ref，坐标变换公式如下所示：
4、将步骤3.9得到的转子电压αβ轴指令值Urαβ_ref通入空间矢量调制(SVPWM)模块得到开关信号，对转子侧变流器(Rotor Side Converter，RSC)进行控制，从而达到控制DFIG的目的。
图4为并网点频率波动至110％标称值时DFIG的仿真结果。t＝0.2s时，电网频率波动至110％标称值。阻尼控制器保持原有阻尼系数D(D＝500)，虚拟同步控制回路对频率波动做出响应，平缓减少发出的有功功率，实现了对电网频率的惯性支撑；
图5为并网点电压跌落至70％标称值时DFIG的仿真结果。t＝0.2s时，检测到电网电压跌落至70％标称值，阻尼控制器的阻尼系数D自动缩小至原值的1/20，即D＝25；虚拟同步控制回路快速向电网发出无功功率，满足DFIG低电压穿越能力的要求。
综上所述，本发明提出的一种具备故障穿越能力的双馈风机虚拟同步控制方法，不改变风机变流器原有的功率、电流双闭环矢量控制结构，仅通过构造虚拟同步控制回路即可实现对并网点频率和电压的惯性支撑。当电网频率出现波动或电压幅值发生小幅跌落时，虚拟同步控制回路按设定的下垂系数计算得到功率补偿指令，并通过阻尼控制器设定惯性响应时间补偿到变流器原有的功率指令上。同时，当并网点电压发生深度跌落时，通过自动调整阻尼控制器的阻尼系数来提高故障电网工况下无功补偿的响应速率，满足并网规范对风机低电压穿越能力的要求。
Claims (3)
1.一种具备低电压穿越功能的双馈风机虚拟同步控制方法，其特征在于，该方法主要由功率电流双闭环矢量控制回路和虚拟同步控制回路两部分组成；其中，所述虚拟同步控制回路包括如下步骤：
(1.1)采集双馈风机并网点电压的角频率ωpcc、并网点电压幅值Upcc；
(1.2)将并网点额定角频率ω0与步骤(1.1)采集的并网点电压的角频率ωpcc做差，得到角频率补偿值Δω；将并网点额定电压U0与步骤(1.1)采集的并网点电压幅值Upcc做差，得到电压补偿值ΔU；
(1.3)将步骤(1.2)得到的角频率补偿值Δω与补偿系数kω相乘，得到有功功率缺额指令Padd_ref；将步骤(1.2)得到的电压补偿值ΔU与补偿系数kU相乘，得到无功补偿缺额指令Qadd_ref；
(1.4)将步骤(1.3)得到的有功补偿缺额指令Padd_ref和无功补偿缺额指令Qadd_ref送入虚拟同步回路的阻尼控制器，得到有功补偿指令PVSG_ref和无功补偿指令QVSG_ref；
(1.5)将步骤(1.4)得到的有功补偿指令PVSG_ref和无功补偿指令QVSG_ref作为附加指令，分别添加到功率电流双闭环矢量控制回路的定子有功指令值Pref和无功指令值Qref上，得到新的有功功率的指令值、无功功率的指令值。
2.根据权利要求1所述具备低电压穿越功能的双馈风机虚拟同步控制方法，其特征在于，所述步骤(1.4)中的阻尼控制器的传递函数为：
其中，J为双馈风机系统的转动惯量，D为阻尼控制器的阻尼系数。
3.根据权利要求2所述具备低电压穿越功能的双馈风机虚拟同步控制方法，其特征在于，所述阻尼控制器的阻尼系数D根据电网电压波动情况自适应调整，具体为：情况I，当电网电压幅值波动幅度在10％以内时，阻尼控制器的阻尼系数D值维持不变；情况II，当电网电压跌落至90％标称值以下时，阻尼控制器的阻尼系数D值取为情况I的1/10～1/20。
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